面向生物医疗的FDM增材制造技术

背景意义

生物制造是医学研究的前沿领域,其中骨损伤修复一直是当今医学基础研究与临床治疗的重点。其中制造人工骨是骨损伤修复的重要子领域,它是涉及多学科、多技术的交叉领域,其中最为核心的是高端材料的研发和先进制造技术。本团队从人工骨材料性能需求及特殊的制造工艺要求出发,旨在利用增材制造技术(3D打印成型)对高性能工程塑料聚醚醚酮(PEEK)进行快速成型相关方面研究。以改善现阶段人工骨骼成型的个性化定制难加工,加工成本高及材料生物兼容性问题。

材料研究

目前,用于制造人工骨的材料主要有金属材料、生物陶瓷材料和高分子材料等。相对普通塑料而言,聚醚醚酮(PEEK)的弹性模量为3.8GPa 左右,与人体骨骼的弹性模量十分接近,可以有效避免植入人体后因弹性模量差异而引起的不适现象。同时,PEEK也拥有良好的生物相容性,因此受到各界的关注,被誉为目前最有发展前景的骨修复材料。

装备研究

为了更好的推进PEEK增材制造的人工骨成型研究,课题组对其FDM增材制造装备进行了研发,从原理机器不断更新完善。其中课题组研发的极坐标高温增材制造装备在第47届日内瓦发明展获得了金奖。

工艺研究

FDM方法成型过程中的层间结合力是制约制件机械性能的决定性因素。课题组从装备优化与工艺调控两方面出发,揭示FDM成型工艺与层间结合之间的作用机制,建立各个工艺因素与聚合物热运动的作用机制。设计具有预熔功能的PEEK高温喷头打印设备,用以实现腔体温度可控的高质量FDM成型。

功能陶瓷的光固化成型研究与应用

陶瓷材料,与金属材料和高分子材料并列为当今三大固体材料,具有高温强度突出、耐磨性能优越、隔热性好、密度低和防腐性能佳五大优势。陶瓷材料通常脆性大、硬度高,因此加工难度较大。传统胶态成型方法需要模具,难以获得形状特别复杂的部件,因此制造成本较高、周期较长。陶瓷3D打印技术的出 现解决了这一问题,其中光固化技术由于精度高吸引了很多关注。

主要研究方向

已获成果

获奖

·    梯度高分子 - 一步成型的极坐标增材制造装备 获第47届日内瓦国际发明展金奖

论文

·    B. Hu, X.B. Duan, Z.H. Xing, Z.Y. Xu, C. Du, H.M. Zhou, R. Chen, B. Shan, Improved design of fused

     deposition modeling equipment for 3D printing of high-performance PEEK parts, Mech Mater, 137

     (2019).

·    史长春,胡镔,陈定方,陈蓉,单斌.聚醚醚酮3D打印成形工艺的仿真和实验研究[J].中国机械工程,2018,29(17):

     2119-2124+2130.

·    徐子又,胡镔,邢泽华,杜纯,段献宝,陈蓉,文艳伟,周华民,单斌.层间预熔温度对熔融沉积成型打印件力学性能的

     影响[J].塑料科技,2019,47(05):37-43.

·    胡镔,胡万里,史长春,陶孟仑,单斌,陈定方. 基于多物理场耦合的高温FDM喷嘴热—应力仿真分析[J]. 南昌工

     程学院学报,2016,35(04):71-73+78.

·    高玉乐,史长春,董得超,陈蓉*,单斌. 基于3D打印技术的挠性电子电路的快速成型工艺研究[J]. 印制电路信息,

     2016,24(03):5-8+23.

·    DeChao Dong, Bin Shan*, YunJian Qiu ,Changchun Shi, Yule Gao , Rong Chen,Preparation and study

     of stereolithography photosensitive resin based on 405 nm UV light source, Material Engineering

     and Mechanical Engineering 2015, ISBN: 978-981-4759-67-0.

专利